РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МОЩНОСТЬЮ 3 КВТ ПРОИЗВОДСТВА ООО «ГРЦ-ВЕРТИКАЛЬ» В ПАКЕТЕ MATLAB Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Статья поступила в редакцию 17.04.11. Ред. рег. № 993

The article has entered in publishing office 17.04.11. Ed. reg. No. 993

УДК 621.314.5

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МОЩНОСТЬЮ 3 кВт ПРОИЗВОДСТВА ООО «ГРЦ-ВЕРТИКАЛЬ» В ПАКЕТЕ MATLAB

1 2 2 Н.В. Пронин , А.С. Мартьянов , Е.В. Соломин

1ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» 454080 г. Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел: 8-950-735-2198, факс: (351) 264-7694, e-mail: nikita_energy@mail.ru 2ООО ГРЦ «Вертикаль» 456300 Миасс, Челябинская обл., Тургоякское шоссе, д. 1 Тел.: (912) 317-1805, e-mail: src-vertical@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 27.04.11 Заключение совета экспертов: 10.05.11 Принято к публикации: 15.05.11

В данной статье рассматривается способ построения математической модели ветроэнергетической установки мощностью 3 кВт в пакете MATLAB. Проанализировано соответствие разработанной модели и экспериментального образца.

Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, моделирование, альтернативная энергетика.

DEVELOPMENT OF A MATHEMATICAL MODEL OF WIND TURBINE OUTPUT CAPACITY 3 kW PRODUCED BY «SRC-VERTICAL» IN THE MATLAB PACKAGE

N.V. Pronin1, A.C. Martianov2, E.V. Solomin2

'South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel.: (950) 8-950-735-2198, fax.: (351) 264-7694, e-mail: nikita_energy@mail.ru 2«SRC-Vertical», Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel.: (912) 317-1805, e-mail: src-vertical@mail.ru

Referred: 27.04.11 Expertise: 10.05.11 Accepted: 15.05.11

The article presents the method construction a mathematical model of wind turbine capacity of 3 kW in a package MATLAB. Made analysis correspondence of the model and experimental sample.

Keywords: wind power, renewable energy source, modeling, alternative energy.

Современные мировые тенденции развития энергетического комплекса устанавливают жесткие требования к уровню потребляемой энергии. Успех быстрого достижения высокого уровня развития любой страны напрямую зависит от успеха реализации программы энергосбережения.

Применение возобновляемых источников энергии совместно с энергоэффективным оборудованием может дать значительный экономический и экологический эффект. Как правило, в таких системах источником энергии (тепла или электричества) является особое устройство, преобразующее энергию ветра, солнца, воды и т. д. в удобный для потребления и утилизации вид энергии.

Ветроэнергетическая установка мощностью 3 кВт (ВЭУ-3) производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Челябинск) в качестве преобразователя «сила ветра -электроэнергия» использует модифицированный ротор Н-Дарье лопастного типа с синхронным электрогенератором на постоянных магнитах с осевым зазором (рис. 1) [1].

Основные характеристики ВЭУ представлены в табл. 1. Рассматриваемый источник электрической энергии может быть сопряжен с различными потенциальными маломощными и энергоэффективными потребителями, такими как инфракрасные системы обогрева, насосы и любые бытовые приборы. Не менее полезно рассмотрение возможности совместной

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

работы ВЭУ как с магистральной сетью, так и с другими источниками энергии. Во всех таких системах в качестве источника электроэнергии может использоваться ВЭУ-3. Поэтому всестороннее изучение этого источника, общего для различных систем, дает возможность широкого его применения во многих сферах.

Рис. 1. Основные элементы ВЭУ Fig. 1. The main components of wind turbines

Таблица 1

Основные характеристики ВЭУ-3

Table 1

Main characteristics of WPU-3 wind turbine

Мощность генератора номинальная, кВт 3

Скорость ветра номинальная, м/с 10,4

Стартовая скорость ветра, м/с 1

Диапазон рабочих скоростей ветра, м/с 4-45

Максимальная допустимая скорость ветра, м/с 60

Диапазон частоты вращения, об/мин 60-200

Номинальная частота вращения, об/мин 180

Количество лопастей, шт. 6

Диаметр ротора (колеса), м 3,4

Высота ротора, м 3,8

Ометаемая площадь, м2 12,92

Высота мачты, м 8-20

Рис. 2. Модель ветроустановки ВЭУ-3 Fig. 2. Model of wind turbine WPU-3

Модель включает в себя следующие блоки:

Ramp - источник линейно изменяющегося воздействия. Заданная скорость нарастания ветра 0,1 м/с, начиная с 1 м/с.

Saturation - блок ограничения. Заданные пределы скорости 0 и 13 м/с.

Math Function - блок математических функций. В приведенном случае он обеспечивает квадратичную зависимость выходного параметра от входного.

Gain - усилитель. Принимает значение коэффициента умножения -1,97676.

Permanent Magnet Synchronous Machine - синхронная машина с постоянными магнитами. При приложении отрицательного момента модель работает в генераторном режиме.

Universal Bridge - универсальный мост. Трехфазный выпрямитель на диодах.

Powergui - графический интерфейс пользователя.

RLC Branch - Последовательная RLC цепь, имитирующая работу сглаживающего фильтра выпрямителя.

Display - цифровой дисплей.

Voltage Measurement - измеритель напряжения.

Общий принцип работы математической модели заключается в следующем. К блоку Permanent Magnet Synchronous Machine прилагается отрицательный момент, который определяется скоростью ветра. Крутящий момент, приложенный к генератору ветроустановки, в зависимости от скорости ветра равен [3]

C

M =-mpV2SR , z 2

(1)

Работа практически любого оборудования может быть смоделирована на ЭВМ в различных пакетах прикладных программ для математических расчетов. Одним из таких пакетов является МайаЪ [2]. При помощи программного пакета МайаЪ построена математическая модель ветрогенератора ВЭУ-3, которая представлена на рис. 2.

где Ст - коэффициент крутящего момента, Ст = 0,15; р - плотность воздуха, р = 1,2 кг/м3; V - скорость ветра, м/с; - ометаемая площадь, 8 = 12,92 м2; К -радиус ветроротора, К = 1,7 м.

Коэффициент крутящего момента Ст определяется при максимальном коэффициенте использования энергии ветра Ср = 0,4 и быстроходности 2 = 2,7 (рис. 3), которая определяется как [3]

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

Н.В. Пронин, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин. Разработка математической модели ветроэнергетической установки

z=

V

ли

V..

»R

V

= 2,7

(2)

где Клин - линейная скорость вращения, м/с; Увет -скорость ветра, м/с.

0,45 0,3 0,15

J с

/ /

\ V

с = 2MzlpV*S

_/

\

/у 2 = jiRIV

___---

-ч

Рис. 3. Коэффициент использования энергии ветра Cp и коэффициента крутящего момента Cm от быстроходности Z Fig. 3. The utilization factor of wind power Cp and torque coefficient Cm versus specific speed Z

Таким образом, за счет системы управления быстроходность поддерживается на уровне 2 = 2,7, обеспечивая при этом максимальный коэффициент использования энергии ветра Ср = 0,4 при коэффициенте крутящего момента Ст = 0,15.

Определяем момент, приложенный к ветрогене-ратору:

Mz =

0,15

1,2V2 • 12,92 -1,7 = 1,97676V2

d

1

R

Lq

-tid = L~Ud - L id + TP» i ;

dt Ld Ld Ld

d 1 R Ld —i =— u--i + —dLp»id-

dtq Lq q Lq q L/ rd

Te = 1,5p \_Àiq + (Ld - Lq )idiq J ;

dt »r = J ( - F » r - Tm );

- e = »r,

dt r

Àp» r

(3)

жения статора на оси q и d; юг - угловая частота вращения ротора; X - магнитный поток постоянных магнитов, сцепленный с обмоткой статора; p - число пар полюсов; Te - электромагнитный момент; J -суммарный момент инерции ротора и нагрузки; F -коэффициент трения; 6 - угол положения ротора; Tm - момент сопротивления.

Параметры блока представлены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры блока Permanent Magnet Synchronous Machine

Table 2

Parameters of block Permanent Magnet Synchronous Machine

Форма тока Синусоидальный

Сопротивление фазы Яs, Ом 2,7

Индуктивность фазы [Ь(1 Lq], Гн 0,009

Потокосцепление, Вс 0,5

Момент инерции, кг-м2 1118,43

Коэффициент трения, Н-м-с 0,85

Число пар полюсов 25

Момент, приложенный к ротору генератора, прямо пропорционален квадрату скорости ветра.

При помощи блоков Ramp и Math Function Gain определяется воздействием момента Mz на генератор. Работа генератора Permanent Magnet Synchronous Machine описывается следующей системой уравнений, связанных с ротором [2]:

Генератор является источником тока, переменного по фазе, частоте и амплитуде, который сложно использовать для нужд обычного потребителя. Поэтому напряжение подается на трехфазный неуправляемый выпрямительный мост Universal Bridge. Чтобы сгладить пульсации линейных напряжений, устанавливается RC-фильтр с постоянной времени много больше частоты тока в обмотке.

Измерение выходного напряжения осуществляется при помощи вольтметра Vi, частота вращения ротора измеряется при помощи измерительного порта m блока Permanent Magnet Synchronous Machine.

На рис. 4 представлена зависимость выпрямленного напряжения от частоты вращения ротора в режиме холостого хода, полученная путем моделирования в пакете Matlab ВЭУ-3.

Рис. 4. Характеристика холостого хода ВЭУ-3, полученная в Matlab Fig. 4. Characteristics of idling of WPU-3 wind turbine, processed in Matlab

где Ьч, Ьй - индуктивности статора по осям q и й; Я -сопротивление обмотки статора; 1Ч, - проекции тока статора на оси q и й; иий - проекции напря-

На рис. 5 показана характеристика холостого хода, измеренная во время тестирования опытного образца генератора.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (97) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

ч

Рис. 5. Характеристика холостого хода ВЭУ-3, снятая экспериментально Fig. 5. Characteristics of idling of WPU-3 wind turbine, received in experiment

Рассматриваемый генератор позволяет снимать номинальную мощность 3 кВт при номинальных 180 об/мин. Данные величины должны достигаться при скорости ветра 10,4 м/с. В результате расчетов, выполненных по математической модели, представленной на рис. 6, видно, что при скорости ветра 10,43 м/с была зафиксирована частота 180 об/мин, ток нагрузки 9,8 А, выпрямленное напряжение на нагрузке 309,8 В, отбираемая мощность 3036 Вт, что подтверждает близкое соответствие параметров расчетной модели реальному образцу.

Рис. 6. Модель ВЭУ-3 при работе на нагрузку Fig. 6. Model wind turbine at work on the load

Основные выводы

1. Можно говорить о соответствии поведения математической модели реальному образцу ветроэнергетической установки ВЭУ-3;

2. Данная модель может быть использована при моделировании работы системы управления ВЭУ;

3. Представленный материал демонстрирует работу ветрогенератора ВЭУ-3 и применим при изучении работы данной установки в качестве наглядного материала.

Список литературы

1. Соломин Е.В. Продукция // Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль». - www.src-vertical.com. Челябинск: 2007.

2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МЛТЬЛБ, SimPowerSystems и БтиИпк. М.: ДМК Пресс; СПб: Питер, 2008.

3. Кирпичникова И.М., Мартьянов А. С., Соломин Е. В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках // Альтернативная энергетика и экология - ШЛЕЕ. 2010. № 1. С. 93-97.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (97) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011